Geotermikus energia hasznosítása primer hőszivattyús rendszerekkel nagyobb irodaházaknál Dr. Ádám Béla PhD 2017.11. 14. MÉGSZ Megújuló Energia Szalmai nap Budapest HGD Geotermikus Energiát Hasznosító Kft. : 1141 Bp., Zsigárd u. 21. Székhely: 1141 Bp.;Zsigárd utca 21 : (36-1) 221-1458; Fax :(36-1) 422-0004 E-mail: info@hgd.hu; www.hgd.hu
Tartalom Hőnyerési módok Választás az alternatívák közül Földhőszondás hőszivattyús rendszerek tervezése Vízkútpáros hőszivattyús rendszerek tervezése Elfolyó vizes hulladékhős hőszivattyús rendszerek tervezése
1. Hőszivattyú lakóépületekben a) Családi házban b) Többlakásos épületben 2. Hőszivattyú irodákban és kereskedelmi épületekben 3. Hőszivattyú ipari alkalmazása a) Távfűtés b) Folyamatenergia 4. Hőszivattyú használata és infrastruktúra a) Metrók/alagutak b) Szennyvíz rendszerek c) Energiahálózat (távfűtés vagy hideg forrás ) 5. Épületszerkezete hőnyerő a) Energiacölöp b) Aktív beton 6. Hőszivattyú zöldenergiatározás
Hőnyerési módok Zárt rendszerek (vízkivétel nélkül) függőleges földhőszondák (szimpla, dupla, tripla, koaxiális) horizontális talajkollektor energia cölöp Nyitott (vízkivétellel járó) rendszerek vízkút termál elfolyó víz/hulladékvíz Levegős hőszivattyú Épületszerkezeti hőnyerők Elfolyó vizes hőszivattyús rendszerek
HŐSZIVATTYÚ HASZNOSÍTÁSI RENDSZEREK
Választás az alternatívák közül Megrendelői igények: hőszükséglet és egyéb szempontok Ellátandó funkciók: fűtés, hűtés, hmv, medence stb. Földtani és vízföldtani adottságok Területi adottságok (domborzat, beépítettség, területi besorolás) Gazdaságosság, költséghatékonyság, optimalizálás Talajszondás rendszer: sekély mélységben várhatóan nincs elegendő vízmennyiség, könnyen fúrható kőzetek, stb. Talajkollektoros rendszer: fűtendő alapterület 2-2,5-szerese Vízkútpáros rendszer: 20 m feletti jó vízadó, megfelelő vízkémia, stb.
Hőszivattyús rendszer tervezése Hőszükséglet számítás Geológiai helyi információk Hőnyerés választás családi ház nagy rendszer helyi kutatás szondateszt modellezés próbakút-pár modellezés F/H/HMV igény alapján hőigény éves, havi lefutása csúcsigény lefutások éves F/H/HMV igény (kwh, GJ/év) Hőszivattyú kiválasztás hőfoklépcsőre méretezés összevetés a földhővezetéssel
Földhőszondás hőszivattyús rendszerek tervezése I. Hőszükséglet számítás, ellátandó funkciók (F, H, HMV, medence) Geológiai helyi információk: adattárak (MFGI, ELGI, VITUKI, MÁFI), tapasztalat, hatósági egyeztetés Rendelkezésre álló terület, lejtésviszonyok Hőnyerési mód megválasztása családi ház nagy rendszer helyi kutatás: szondateszt modellezés F/H/HMV igény alapján hőigény éves, havi lefutása csúcsigény lefutások éves F/H/HMV igény (kwh, GJ/év) Hőszivattyú kiválasztása Primer oldali gépész tervezés (hidraulikai méretezés)
Földhőszondás hőszivattyús 30 kw alatt: 50 W/m (VDI4640) Kis projektek rendszerek tervezése II. helyi geológiai viszonyok hatása előzetes földtani adatok (adattárak) Szondák tervezése: A jó geotermikus hőszivattyús hatásfok feltétele a primer földhő hasznosítás helyes méretezése hővezetőképesség meghatározása (táblázatok, adatbázisok) szondák méretének, számának és hosszának megállapítása szondák távolsága kétcsöves vagy négycsöves rendszer
Földhőszondás rendszerek tervezése III. Nagy rendszerek : 30 kw felett helyi geológiai viszonyok hatása előzetes földtani adatok (adattárak) helyszínen kutatófúrás, próbafúrás - geofizikai vizsgálat hővezetőképesség meghatározása táblázatok, adatbázisok kőzetmintán labor mérés szondateszt/hőelnyeletési teszt (Thermal Response Test) méretezés szoftver segítségével szondák méretének, számának és hosszának megállapítása szondák távolságának meghatározása kétcsöves vagy négycsöves rendszer
Szondarendszer méretezése Próbaszonda letöltése és tömedékelés 3-5 nap állás után in situ hőmérséklet mérése Szondatesztelő berendezés összeállítása 60-72 órás szabvány szerinti szondateszt elvégzése Software segítségével mérési eredmények kiértékelése Cél: hővezető-képesség megállapítása EED méretező software alkalmazása a fenti mérési adatok használatával Eredmény: optimális szondaszám, talpmélység és elrendezés
Geofizikai mérés
Szondateszt (Thermal Response Test) VDI 4640-30kW felett ajánlott a helyszíni kutatófúrás, szondateszt: hővezetőképesség (λ) meghatározására leggyakrabban használt módszer átlag hővezetőképesség értéket ad a szelvény teljes hosszára mérés ideje: általában 60-72 óra Elve: tartályban fűtött víz kerül keringtetésre a földhőszondában. Regisztrálás: lemenő ág hőmérséklete, visszatérő ág hőmérséklete, fűtési teljesítmény, külső hőmérséklet; turbulens áramlás fenntartása fontos a mérés során, ha lamináris áramlás jön létre figyelembe kell venni a számításkor
TRT berendezés vázlata
Méretezés földhőszonda mezőre EED 3.13. Earth Energy Designer Európában egyik leggyakrabban használt szoftver Könnyen kezelhető, gyors kalkuláció végezhető, beépített adatbázis G-funkció 798 földhőszonda elrendezés, max 1200 szonda Magyar nyelvű menü adatbázisban magyar vonatkozások Belső ellenőrző modul
Szondamező méretezése V. Szimuláció/modellezés: Átlag fluid hőmérséklet Szükséges szondahossz megállapítása
Szondamező méretezése VI. Hőmérséklet ( C) 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 0 10 20 Mélység (m) 30 40 50 60 70 80 90 100 Fluid hőmérséklet éves alakulása a 25. évben I. mérés II. mérés III. mérés Zavartalan állapot Hőmérsékletmérés TRT előtt és után Fluid hőmérséklet alakulása 25 év működés alatt
TELENOR IRODAHÁZ, TÖRÖKBÁLINT Alapterület: 20.000 m 2 Fűtési igény: 860 kw, hűtési igény: 960 kw Primer tömegáram: kb. 70m 3 /h/hőszivattyú Szekunder tömegáram: 55m 3 /h/hőszivattyú Szekunder fűtési hőlépcső: 42/37 C Szekunder hűtési hőlépcső: 13/18 C
TELENOR: FÖLDTANI KUTATÁS, ALAPÁLLAPOT Geofizikai szelvény Alapállapot felvétel
TELENOR FÖLDHŐ MONITORING
TELENOR HÁZ - FÖLDHŐ MONITORING: Aktív szonda mellett 2011.01.18. - 2011.11.29. - 10 M - 40 M - 70 M - 100 M Hőmérséklet ( C) 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2011.01.17 2011.03.08 2011.04.27 2011.06.16 2011.08.05 2011.09.24 2011.11.13 Időpont
Gyakran elkövetett hibák Tervezési hibák: Primer oldal alulméretezése (szondahiány) Nem megfelelő hidraulikai méretezés Szondák egymásra hatásának figyelmen kívül hagyása (5 m a minimum) Hatástávolság kb. 3 m! Primer technológiai hiba (tervezés pl. hőnyerési mód megválasztása) Hőszükséglet számítási hiba (szekunder oldalon) Rosszul megválasztott hőszivattyú Kivitelezési hibák: Hiányos tömedékelés Nem jó minőségű tömedékelőanyag (bizonyos esetekben szükséges hővez.kép. fokozó anyag) Glikolhiány sokan vízzel töltik a szondákat Építési hőszigetelési hiba Tömegáram, beszabályozási hibák
11 lakás Energiatakarékos társasház ~1000 m 2 fűtött-hűtött alapterület 11kW fűtési igény 11kW HMV 22kW (2x11kW) hőszivattyú 30m 2 napkollektor központi HMV termelésre (éves szükséglet ~60%-a) Zuglóban
Monitoring eredmények I. Téli hőszivattyús fűtés Hőszivattyú + szivattyú fogyasztás: 5 500kWh x 32 Ft/kW = 176 000 Ft Fűtési hőmennyiség: 26 840 kwh SPF: 4,4 Várható éves hőszivattyús villamos energia-fogyasztás: 6 000 kwh Tájolás DK-DNY DNY-ÉNY ÉK-ÉNY Terület (m 2 ) 105 75 42 Hőfok ( C) 25 22 20 (21) Lakók száma (fő) 5 2 0 Fogyasztás (kw) 690 91 0 Költség (Ft) 22 065 2 909 340
Monitoring eredmények II. Napenergia+hőszivattyú melegvízre Napkollektor: 30 m 2, HMV tárolókapacitás: 3000 l, összhőmennyiség-termelés: 7000W/h (ápr.20-okt. 15/100%), 2 db ker. sziv.: 125 W/h Hatékonyság 2012. júl. 2012. szept. 2012-2013 tél Szivattyú 26kWh/162, 5Ft/hó/ lakás 22kWh/122Ft/ hó/ lakás Szolár Hősziv. HMV költség 71kWh/ 3 550Ft 62 kwh 5 534 Ft Teljesítmény 1 100 kwh 1 500 kwh 3 700 kwh 2 700 kwh 86 400 Ft SPF 42 68 52 4,2 Költség 91 934Ft
Nyitott vízkútpáros rendszerek alapvetően a primer rendszer kialakítása alapján osztályozható: talajvizes, rétegvizes, nyitott víztükrű, termál elfolyóvizes, valamint használt technológiai vizes elfolyó rendszer. tervezésekor elsődleges bemeneti adat, az ellátandó rendszer fűtési-hűtési hőigénye (épületenergetikai számítások, Megrendelői igények alapján) telepítése előtt fontos a talajvíztartó alapos feltérképezése (rétegtulajdonságok, várható víznívók (nyugalmi, üzemi) meghatározása) alkalmazhatóságának vizsgálata
Nyitott kútpáros rendszerek Ellátandó funkciók: fűtés, hűtés, hmv, medence stb. Előzetes vízföldtani adatok Engedélyezés Próbafúrás próbakút helyi vízföldtani viszonyok pontosítására F/H igények kw-ban, ezek havi lefutása (ellátandó épület funkciója: családi ház, iroda stb.) Rendelkezésre álló terület, terepviszonyok -Helyi földtani viszonyok -Előzetes egyeztetés szakhatósággal (korlátozó tényezők) Hőszivattyú típusa
Nyitott kútpáros rendszerek Próbafúrás helyi vízföldtani viszonyok pontosítására Próbakútban: szivattyúzási teszt, feltöltődési teszt Megbízható kúthozam ( Safe yield ) ált. max. vízhozam 60-70%-a Vízminta laborban történő vizsgálata?korrózió? Külső hőcserélő Vízhőmérséklet Helyi áramlási viszonyok figyelembe vétele Vízföldtani modellezés, 3D (Processing Modflow 5.3, Feflow)
A vízkútpáros rendszerek telepítésének főbb szempontjai Vízkútpáros rendszer ott telepíthető, ahol rendelkezésre áll sekély mélységű, jó vízadó (általában jó vízvezető tulajdonságú kavicsos, homokos, homokos kavicsos stb. rétegek; negatív nyomásszintek) megfelelő mennyiségű (10 kw kb. 30 l/p) és minőségű víz elegendő méretű terület a kutak megfelelő elrendezéséhez (felszíni, felszín alatti beépítettség) A biztonságos nyeletéshez szükséges vizsgálatok: a víztartó maximális vízszintjének meghatározása, nyeletési vizsgálatok, vízkémiai vizsgálatok
Tervezés és kivitelezés I. Döntéselőkészítő tanulmány II. Tervezés, engedélyezés III. Kivitelezés, engedélyezés IV. Monitoring 1.Megrendelői igények felmérése, elemzése 2. Előzetes földtani, vízföldtani elemzés 1.Tervezett kutak darabszámának, területi elhelyezésének meghatározása 2. Kúttervek elkésztése 1. Próbakútpár létestése 2. Kútvizsgálatok a próbakútpárban 1. Engedélyezési dokumentációban javasolt monitoring rendszer kialakítása 3.Területi adottságok 4. Engedélyezési szempontok (védett terület stb.) 3. Előzetes hatásvizsgálatok, modellezések 3. Vizsgálati eredmények elemzése,tervezett kutak végleges kialakítása 2. Mérési eredmények gyűjtése, elemzése, kiértékelése 5. Gazdaságosság, megtérülés, költséghatékonyság elemzése 4. Vízjogi létesítési engedély dokumentáció elkészítése 4. Vízjogi üzemeltetési engedély dokumentáció elkészítése Output: optimalizált üzemeltetési feltételek Output: a rendszer kialakítása javasolt vagy nem Output: jogerős vízjogi létesítési engedély Output: jogerős vízjogi üzemeltetési engedély
Vízföldtani modellezés A modell mindig egy valós rendszer egyszerűsített változata Nincs minden tulajdonság reprezentálva Nincs univerzális modell ugyanarra a valós rendszerre eltérő cél esetén más modell kell A modell mindig javítható, sohasem lesz tökéletes Két azonos tudású modell közül az egyszerűbb a jobb Eredményesen modellezni csak úgy lehet, ha ismerjük a modell előnyeit és hátrányait A kapott eredményt mindig kritikus szemmel kell szemlélni
Hőszivattyús hasznosítás távhő kiváltására: Budapest XIII. ker. Hun utca 252 lakás 8 lépcsőház 10db 15m-es kútpár Leválás távhőről 2009 május 31-én, HMV szolgáltatás Radiátoros fűtés (60 C előremenő) Fűtésszolgáltatás: 2009. október 15-től
Futura Interaktív Természettudományi Bemutató Központ Mosonmagyaróvár
Futura Interaktív Természettudományi Bemutató Központ Egykori mosoni gabonaraktár turisztikai hasznosítása Beruházás összértéke 1,5 milliárd forint: 15% a pályázó önkormányzat 85% támogatás 250kW fűtés 200kW hűtés Várható elkészülés: 2012
Futura Vízkútpáros hőszivattyús rendszer 2 termelőkút (15m) 2 nyeletőkút (15m) 15-15m 3 /h
Futura - Monitoring 4 monitoring kút Vízszint-változás Hőmérsékletváltozás Vezetőképesség-változás
Vízkútpáros hőszivattyús rendszer kapcsolási rajz
Elfolyó vízre tervezett rendszer
Termál-kaszkád hőszivattyús rendszer I. Termálvíz hőcserélő 1300kW 61/42 C primer és 59/40 C szekunder hőlépcső Termál elfolyóvíz 40 C és 15m 3 /h 7 ingatlan kiszolgálása Szekunder előremenő 52 C I. fokozat: 418kW (COP 5,15) II. fokozat: 243kW (COP 4)
Termál-kaszkád hőszivattyús rendszer II. I. fokozat: 40/25 C hőcserélő és 33/18 C HP hőlépcső II. Fokozat: 20/9 C hőcserélő és 17/6 C HP hőlépcső
Termál-kaszkád hőszivattyús rendszer III. - Hőközpont
Hőcserélős direkt hőhasznosítás I. A termálvizet nem kellene a fürdő területéről elhozni, ott csak egy hőcserélőt kellene beépíteni és automatikával vezérelten, igény esetén jönne a hőcserélő másik oldaláról a fűtővíz az Állatkertbe. Ennek a megoldásnak szigetelt távvezeték, szigetelt tároló és szigetelt Állatkertben vezetett körvezeték építési igénye van. A rendszer közvetlenül minimális gépészeti beavatkozással illeszthető a meglévő ingatlanok hőközpontjába az Állatkertben. Az automatikus vezérlés megoldja szükség esetén a termálalapú megújuló energiás fűtésről az átkapcsolást a változatlanul hagyott gázrendszerre kazánokra.
Hőcserélős direkt hőhasznosítás II. Tekintettel a magas hőmérséklet igényű szekunder hőfokra előnyösebb lett volna a Széchenyi fürdő 72 ºC termálvizének szükséges előhűtésével a hőcserélős termálfűtés megoldása az Állatkertnél, mert az energia megtakarítása, a beruházási költség és a megtérülés is lényegesen jobb lenne a hőszivattyús megoldáshoz viszonyítva. Ezzel a megoldással a fűtési igény 100%-ban lenne biztosítható az Állatkertben a Széchenyi Fürdő termálvizének hőcserélős megoldásával.
MOM Kultúrközpont, illetve a Larus Étterem és Rendezvényközpont
1 MW-os fűtő/hűtő teljesítményű hőszivattyús referencia projekt bemutatása Műszaki paraméterek: Mozgatott szennyvízmennyiség: 90m 3 /h Szennyvíz átlaghőmérséklete: 15-17 C Választott gépteljesítmény (fűtési üzemmódban, a két, sorosan kapcsolt hőszivattyúra): Választott gépteljesítmény (hűtési üzemmódban, a két, sorosan kapcsolt hőszivattyúra): Hűtési igény mindössze: 600kW 645,8+569=1214,8kW 567,4+505=1072,4kW Gépjellemző: 6,78-8,24 (COP) Kiadott hőfoklépcső (fűtési üzemmódban): 35/20 C Kiadott hőfoklépcső (hűtési üzemmódban): 6/16 C Víz térfogatáramok (fűtési üzemmódban): 25+25m 3 /h Víz térfogatáramok (hűtési üzemmódban): 25+13m 3 /h Egyéb beépített villamos teljesítményigény (szivattyúk): 43kW
THERMOWATT KFT. Szennyvíz hőjének hasznosítása hőszivattyúval, épületek hűtési és fűtési igényeinek ellátására Épület fűtő-hűtő rendszere Fűtés/ hűtés előremenő Fűtés/ hűtés visszatérő K Ö Z C S A T O R N A Szennyvíz kiemelése Visszatérő szennyvíz Szennyvíz kezelése (szűrés stb.) Leválasztott iszap Szűrt szennyvíz előremenő Szűrt szennyvíz visszatérő Hőcserélő Hőszivattyú Munkaközeg Teljesen zárt rendszer: nem keletkeznek kellemetlen szagok, veszélyes hulladék
A projekt speciális előnyei A szennyvízhő-hasznosítás állandó kedvező hőmérséklete miatt az egyik leghatékonyabb hőszivattyús hűtés-fűtési rendszerek alapja A hosszú távú gazdaságos működés feltételei adottak, mivel: mind a beruházó, mind a rendszert üzemeltető gazdasági előnyre tesz szert (a beruházó a piaci árnál olcsóbban szerzi be az energiát, az üzemeltető pedig üzletileg korrekt fedezetet realizál a működtetés során) A projekt fenntartható működtetése a csatornahálózat üzemeltetőjének is érdeke Belvárosi területeken kitűnően alkalmazható
Következtetések EU szintű hőszivattyús innováció az elmúlt 2-3 évben. Hatékonyságnövekedés, gazdaságosság és fenntarthatóság nő A levegős hőszivattyús rendszerek vizsgálata időszerű! A hőszivattyús műszaki fejlődés intenzitása megelőzte az energia-, környezetvédelmi és gazdaságpolitikai szemléletváltozást. Ezzel a hőszivattyús piac fejlődése van korlátozva, és a 2020 NCST hőszivattyús célok elérése bizonytalanná válik.
HGD Geotermikus Energiát Hasznosító Kft. : 1141 Bp., Zsigárd u. 21. Székhely: 1141 Bp.;Zsigárd utca 21 : (36-1) 221-1458; Fax :(36-1) 422-0004 E-mail: info@hgd.hu; www.hgd.hu Köszönöm a figyelmet!